4_2023_s_8

Название статьи ТЕРМОМЕХАНИКА ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ ДИЗАЙН МАТЕРИАЛОВ С РЕКОРДНО ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
Авторы

С.В. ШИЛЬКО, канд. техн. наук, доц., заведующий лабораторией «Механика композитов и биополимеров», Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Д.А. ЧЕРНОУС, канд. техн. наук, доц., ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика композитов и биополимеров», Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь; доцент кафедры «Техническая физика и теоретическая механика», Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

А.И. СТОЛЯРОВ, старший преподаватель кафедры «Механика», Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого, г. Гомель, Республика Беларусь, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ц. ЧЖАН, профессор факультета материаловедения и техники, Харбинский политехнический университет, г. Харбин, Китайская Народная Республика, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
В рубрике МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Год 2023
Номер журнала 4(65)
Страницы 63–75
Тип статьи Научная статья
Индекс УДК 536.2; 539.3; 539.4; 678.073
Идентификатор DOI https://doi.org/10.46864/1995-0470-2023-4-65-63-75
Аннотация На примере металл-алмазных композитов сформулирован и решен ряд задач термомеханики дисперсно-наполненных материалов с высокой теплопроводностью, используемых для термоуправления. В связи с важностью фактора теплопроводности межфазного слоя предложен уточненный метод расчета граничного термического сопротивления. В рамках данного способа рассматриваются два встречных тепловых потока — от матрицы к наполнителю и обратно, а также обеспечивается условие равенства нулю термического сопротивления при одинаковых значениях термомеханических характеристик указанных компонент. На основе микромеханической модели дисперсно-наполненного композита разработан аналитический метод определения эффективного коэффициента теплопроводности металл-алмазных композитов. Метод позволяет учесть граничное термическое сопротивление, наличие на алмазной частице тонкого покрытия, анизометрию алмазных частиц и пористость металлической матрицы. Результаты выполненного параметрического анализа сопоставлены с известными экспериментальными данными и оценками, полученными в рамках существующих моделей. Сделан вывод о правомерности использования разработанного метода. Разработана упрощенная конечно-элементная модель представительного объема металл-алмазных композитов в виде куба, образованного алюминиевой матрицей и содержащего 27 упорядоченно расположенных сферических алмазных частиц одинакового радиуса с модифицирующим вольфрамовым покрытием. При заданной разности температур на противоположных гранях куба вычисляется распределение плотности теплового потока и эффективный коэффициент теплопроводности металл-алмазных композитов. Сопоставление результатов использования конечно-элементной модели и упомянутого выше аналитического метода свидетельствует об их хорошем соответствии. Осуществлена модификация конечно-элементной модели с целью наиболее полного соответствия реальной внутренней структуре металл-алмазных композитов, изученной при помощи рентгеновской микротомографии высокого разрешения. Выполнен численный анализ температурного поля, термонапряженного состояния и кинетики разрушения алюминиево-алмазного композита при термоциклировании.
Ключевые слова терморегулирование, металл-алмазный композит, теплопроводность, граничное термическое сопротивление, термонапряженное состояние, кинетика разрушения, микромеханическая модель, конечно-элементный анализ
  Полный текст статьи Вам доступен
Список цитируемой литературы
  1. Khan, J.A. A review on advanced carbon-based thermal interface materials for electronic devices / J. Khan, S.A. Momin, M. Mariatti // Carbon. — 2020. — Vol. 168. — Pp. 65–112. — DOI: https://doi.org/:10.1016/j.carbon.2020.06.012.
  2. Effect of interface structure on thermal conductivity and stability of diamond/aluminum composites / P. Zhu [et al.] // Composites Part A. Applied science and manufacturing. — 2022. — Vol. 162. — 11 p. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107161.
  3. Predicted interfacial thermal conductance and thermal conductivity of diamond/Al composites with various interfacial coatings / X. Liang [et al.] // Rare Metals. — 2011. — Vol. 30, iss. 5. — Pp. 544–549. — DOI: https://doi.org/10.1007/s12598-011-0427-x.
  4. Prasher, R. Acoustic mismatch model for thermal contact resistance of van der Waals contacts / R. Prasher // Applied Physics Letters. — 2009. — Vol. 94, iss. 4. — DOI: https://doi.org/10.1063/1.3075065.
  5. Interfacial structure of carbide-coated graphite/Al composites and its effect on thermal conductivity and strength / H. Jia [et al.] // Materials. — 2021. — Vol. 14, iss. 7. — DOI: https://doi.org/10.3390/ma14071721.
  6. Theoretical analysis of interfacial design and thermal conductivity in graphite flakes/Al composites with various interfacial coatings / Y. Liu [et al.] // Science and Engineering of Composite Materials. — 2022. — Vol. 29, iss. 1. — Pp. 500–507. — DOI: https://doi.org/10.1515/secm-2022-0152.
  7. Enhanced thermal conductivity of diamond/aluminum composites through tuning diamond particle dispersion / Z. Tan [et al.] // Journal of Materials Science. — 2018. — Vol. 53, iss. 9. — Pp. 6602–6612. — DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-018-2024-y.
  8. Черноус, Д.А. Модифицированная модель Таканаяги деформирования дисперсно-наполненных композитов / Д.А. Черноус, С.В. Шилько // Механика композиционных материалов
    и конструкций. — 2012. — Т. 18, № 4. — С. 543–551.
  9. Кристенсен, Р.М. Введение в механику композитов / Р.М. Кристенсен; пер. с англ. А.И. Бейля, Н.П. Жмудя. — М.: Мир, 1982. — 334 с.
  10. Mori, T. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions / T. Mori, K. Tanaka // Acta Metallurgica. — 1973. — Vol. 21, iss. 5. — Pр. 571–574. — DOI: https://doi.org/10.1016/0001-6160(73)90064-3.
  11. Enhanced thermal conductivity in diamond/aluminum composites with tungsten coatings on diamond particles prepared by magnetron sputtering method / W. Yang [et al.] // Journal of Alloys and Comp. — 2017. — Vol. 726. — Pp. 623–631. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.055.
  12. Anisimova, M. Effective thermal properties of an aluminum matrix composite with coated diamond inhomogeneities / M. Anisimova, A. Knyazeva, I. Sevostianov // International Journal of Engineering Science. — 2016. — Vol. 106. — Pp. 142–154. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2016.05.010.
  13. Microstructure and thermal properties of Al/W-coated diamond composites prepared by powder metallurgy / C. Zang [et al.] // Materials and Design. — 2016. — Vol. 95. — Pp. 39–47. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.085.
  14. Hasselman, D.P.H. Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance / D.P.H. Hasselman, L.F. Johnson // Journal of Composite Materials. — 1987. — Vol. 21, iss. 6. — Pp. 508–515. — DOI: https://doi.org/10.1177/002199838702100602.
  15. Tavangar, R. Assessing predictive schemes for thermal conductivity against diamond-reinforced silver matrix composites at intermediate phase contrast / R. Tavangar, J.M. Molina, L. Weber // Scripta Materialia. — 2007. — Vol. 56, iss. 5. — Pp. 357–360. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.11.008.
  16. Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения / Б.А. Люкшин [и др.]. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. — 311 с.
  17. Шилько, С.В. Двухуровневый метод оптимизации состава материала деталей машин из дисперсно-армированных композитов / С.В. Шилько // Механика машин, механизмов и материалов. — 2019. — № 2(47). — С. 51–57.
  18. Thermal management applied laminar composites with SiC nanowires enhanced interface bonding strength and thermal conductivity / J. Chang [et al.] // Nanoscale. — 2019. — Vol. 11, iss. 34. — Pp. 15836–15845. — DOI: https://doi.org/10.1039/C9NR04644E.
  19. Carbon nanotubes grown on graphite films as effective interface enhancement for aluminum matrix laminated composite in thermal management applications / J. Chang [et al.] // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2018. — Vol. 10, iss. 44. — Pp. 38350–38358. — DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b12691.